对于元素周期表上新的人造重元素来说，“对于自身而言‘太大’”通常意味着不稳定和短暂的存在。科学家们挤压在一起构建“超重”原子核（质子总数大于103的原子核）的质子和中子越多，由此产生的元素就越脆弱。到目前为止，人类设法制造的所有超重元素几乎都瞬间衰变。然而，在劳伦斯伯克利国家实验室通过粒子加速器合成这些重原子的研究人员现在已经朝着难以捉摸的“稳定岛”迈出了重要一步——元素周期表中的一个假想区域，新的超重元素可能最终能够持久存在足够长的时间来打破这一趋势。
该团队使用一种涉及钛50的新颖方法成功合成了元素116，即鉝。钛50是一种稀有同位素，约占地球上所有钛的5%。通过将这种钛加热到华氏3000度并将其导入高能束中，研究人员能够将这种粒子流轰击其他原子，从而制造出超重元素。尽管鉝以前也使用其他技术制造过，但这种创新方法为合成新的、甚至更重的元素铺平了道路，有可能扩展元素周期表。
日本理化学研究所仁科加速器科学中心的研究员羽場宏光说：“这项成就真具有开创性。”他没有参与这项研究。羽場补充说，这一壮举“对于进一步发现新元素是必要的”。这项工作在七月份的核结构会议上进行了展示，目前正在物理评论快报杂志上进行审稿。
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超重核聚变的“简单”数学
伯克利实验室是88英寸回旋加速器的所在地——这是一种产生电磁场的装置，可以推动原子核摆脱其周围的一些电子，并以高速冲向其他静止的原子。使用这些机器，超重元素的合成就归结为简单的数学：要形成一个有116个质子的元素，你需要融合两个原子核，它们之间的质子总数加起来为116。然而，正如核物理学中经常出现的情况一样，这个过程并不完全那么简单。
传统上，钙48一直是超重聚变反应的黄金标准同位素，因为它具有“双幻数”性质。原子核被旋转电子的轨道壳层包围；拥有“幻数”质子或中子的原子核可以完全填满一个壳层，因此非常稳定，而同时拥有“双幻数”的两种粒子类型的原子核则格外稳定。但是钙48的低质子数限制了其用于制造更重元素的效用。可以与钙48（20个质子）结合的最重稳定元素是锔（96个质子），从而产生鉝（116个质子）。虽然钙48和更重的锫（97个质子）已被用于合成元素117，但密歇根州立大学稀有同位素束设施的首席科学家维托尔德·纳扎雷维奇（他没有参与这项新研究）说，锫“极其难以生产”。“如果我们想制造大多数更重的元素，我们需要一个质子[比钙48]更多的束。”
为了制造这样的束，研究团队转向钛50，试图将其与钚融合以制造鉝。“在我们进行这项实验之前，没有人知道用钛制造东西有多容易或多困难，”伯克利实验室重元素组负责人兼该研究的主要作者杰克琳·盖茨强调说。
与双幻数且高度稳定的钙48不同，钛50明显是非幻数的，并且缺乏极端的稳定性。它的熔点也几乎是钙的两倍，因此更难加工。即使发生碰撞，钛50原子的较低稳定性也会降低成功融合的概率。“这就像每天看到一个合成原子与每10天甚至更糟的情况之间的区别，”盖茨解释说。尽管存在这些挑战，但钛50仍然成为下一个最佳候选者，因为它提供了创造钙无法企及的超重元素的希望。
一旦同位素准备好并且回旋加速器开始运行，这个过程就变成了一场等待游戏。连续不断地将钛束轰击铀靶，两个原子核之间发生任何碰撞的概率都极小。“如果你把一个原子放大到足球场那么大，原子核就只有豌豆那么大，”盖茨说。“我们每秒向我们的靶标轰击六万亿个钛粒子，仅仅是为了有统计学上的机会接近原子核。”
这种高强度的轰击和成功碰撞的稀有性意味着合成可检测量的所需鉝需要22天。
寻找稳定岛
钛50的成功使用标志着超重元素合成领域向前迈进了相当大的一步。除了证明该技术的基本可行性外，这项实验还提供了关于与钛50粒子束相关的“截面”的关键数据。（截面是衡量当两个粒子碰撞时，基于碰撞能量，特定结果（例如鉝的融合）的概率的指标。）
有了这个基础，钛50聚变的下一个雄心勃勃的目标是制造元素120，这将需要与锎碰撞。元素120将是迄今为止制造的最重的元素，也是元素周期表第八行中的第一个元素。根据一些模型，该元素也应该是相对长寿命的，使其成为长期寻求的稳定岛上的滩头堡。尽管理论模型对于其基于钛的合成所需的确切能量几乎没有确定性，但这些先驱结果提供了宝贵的见解。“[这项研究]获得了截面实验结果，现在他们知道哪个[理论]模型最可靠，”纳扎雷维奇解释说。羽場补充说：“我们正在寻找极端状态下的原子核，这在理论上仍然难以预测……但是，绝对没有理由认为元素120不能用这种方法合成。”
虽然这种新元素的创造可能还需要数年时间，但潜在的发现有望为电子壳层和元素周期表提供新的见解，这可能对核物理学、材料科学和其他领域产生深远的影响。“你将能够访问g轨道，”盖茨说，他指的是一种从未被观察到的理论上的新电子构型。“这就像进入一个全新的化学领域。”